DE2656740C2

DE2656740C2 - Optischer Schalter

Info

Publication number: DE2656740C2
Application number: DE2656740A
Authority: DE
Inventors: Herwig Werner Fair Haven N.J. Kogelnik; Ronald Vernon Matawan N.J. Schmidt
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-12-17
Filing date: 1976-12-15
Publication date: 1982-05-19
Also published as: JPS589405B2; NL7613968A; IT1065665B; JPS5276049A; BE849385A; FR2335864B1; DE2656740A1; NL190996C; FR2335864A1; CA1059600A; US4012113A; NL190996B; GB1559187A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

— für die Steuerorgane wenigstens zwei Gruppen unabhängig gesteuerter elemente (50, 51 bzw. 53,54) vorgesehen sind, die längs der parallelen Wellenleiterteile (48, 49) unter Bildung wenigstens zweier hintereinanderliegender Fehlanpassungskopplungszonen angeordnet und so gesteuert sind, daß in wenigstens zwei der Fehlanpassungskopplungszonen keine Phasenanpassung zustande kommt, und daß zumindest für den Überkreuzzustand des optischen Schalters in den Fehlanpassungskopplungszonen zueinander gegensinnige Phasenfehlanpassungen bestehen.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Wellenleiter (45,46) aus elektrooptischem Material bestehen und daß die Steuerorgane zwei Elektrodengruppen (50, 51 und 53,54) aufweisen, die um die parallelen Teile (48,49) der Wellenleiter angeordnet und an diese sequentiell, d. h. hintereinander angekoppelt sind.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden so angeordnet sind, daß sie längs den parallelen Teilen ein elektrisches Feld erzeugen, das senkrecht zur gemeinsamen Ebene der parallelen Teile orientiert ist

4. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden so angeordnet sind, daß sie ein elektrisches Feld parallel zur gemeinsamen Ebene der parallelen Teile erzeugen.

5. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodengruppen eine gemeinsame Mittelelektrode (90) und zwei äußere Elektroden (80,81 und 83,84) aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie längs den parallelen Teilen ein elektrisches Feld erzeugen, das parallel zur gemeinsamen Ebene der parallelen Teile verläuft

6. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Elektroden so angeordnet sind, daß je eine Elektrode (101,104) der Gruppen auf den entsprechenden parallelen Teilen angeordnet sind und die jeweils anderen Elektroden (100, 103) benachbart zu den entsprechenden parallelen Teilen angeordnet sind derart, daß längs dieser Teile ein elektrisches Feld erzeugt wird, das parallel zur gemeinsamen Ebene der parallelen Teile verläuft

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Gruppen von Elektroden derart versetzt angeordnet sind, daß die Elektroden teilweise über (vergl. 111, 114) und teilweise benachbart (vergl. 110, 113) zu den

parallelen Teilen liegen, um in den Teilen ein elektrisches Feld zu erzeugen, das parallel zur gemeinsamen Ebene der parallelen Teile verläuft

8. Schalter nach Anspruch 2, dadinch gekennzeichnet, daß Mittel (55,56) zum Beaufschlagen der aufeinanderfolgenden Elektrodengruppen mit Spannungen unter jeweils entgegengesetztem Vorzeichen vorgesehen sind.

9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Steuersignale den Steuerorganen so zugeführt werden, daß der Phasenasynchronismus entgegengesetzten Vorzeichens in den sequentiellen Abschnitten in unterschiedlichen Werten erzeugt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art Bei einem solchen Schalter ist die Kopplung zwischen zwei parallelen optischen Leitern wahlweise auf Überkreuz- oder auf Geradeausübertragung schaltbar ist

Ein bekannter optischer Schalter weist einen optischen Richtungskoppler auf, bei dem dielektrische Streifenleiter oder »Kanal«-Leiter vorgesehen sind, welche in elektrooptischem oder in Halbleitermaterial ausgeführt sind.

Der Schaltzustand des Schalters wird durch ein angelegtes elektrisches Feld gesteuert Beispiele solcher Schalter sind beschrieben in US-PS 34 08 131 und in einer Arbeit von E. A. J. Marcatili in Bell System Technical Journal, 48, (1969) 2071. Im Prinzip kann die Schaltfunktion realisiert werden durch Steuern entweder der Kopplungsstärke zwischen den beiden Wellenleitern oder der Differenz Δβ der beiden Fortpflanzungskonstanten, wobei letzteres ein Maß der Phasenfehlanpassung zwischen den beiden Leitern ist

Man hat bald erkannt, daß die Steuerung der Phasenfehlanpassung die bevorzugte Art des Schaltens ist, da sie Treibspannungen erfordert, die um etwa 2 Größenordnungen kleiner als die für die direkte Steuerung der Kopplungsstärke erforderlichen Spannungen sind. Vorrichtungen zur Durchführung solcher Steuermethoden sind in den Arbeiten von M. Papuchon et al, Applied Physics Letters 27 (1975) 239 und von J. C. Campbell et al, Applied Physics Let>ers, 27 (1975) 202 beschrieben, die in Lithiumniobat bzw. in Galliumarsenid ausgeführt sind.

Diese Bauelemente eignen sich zwar als befriedigende Amplitudenmodulatoren, sie ermöglichen jedoch nicht ein optisches Schalten, das die strengen Übersprechanforderungen typischer Nachrichtenübertragungssysteme erfüllt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei vorgegebenen Fertigungstoleranzen das Übersprechen bei solchen optischen Schaltern zuverlässig zu verhindern.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß es mit asynchroner d. h. phasenfehlangepaßter Kopplung unter bestimmten Bedingungen möglich ist, die Phasenfehlanpassungsbedingungen derart umzukehren, daß die miteinander in Wechselwirkung tretenden Wellen die beiden Streifenleiter so »sehen«, als ob diese miteinander vertauscht wären. Vom Standpunkt der mathematischen Beschreibung der Wellen aus, kehrt die Energie zum »Ursprungs«-Leiter zurück; und optisch gesehen wird der Ort der konstruktiven Interferenz der Wellen

in den beiden Leitern so geändert daß der Leiter, auf den eine Kopplung erwünscht ist, als der »Ursprungs«- Leiter erscheint Im Gegensatz zu den bekannten 40-geschalteten Richtungskopplern ist bei einem erfindungsgemäßen Schalter nie eine e::akte Phasenanpassung oder ein exakter Synchronismus verwendet.

Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Lösung der angegebenen Aufgabe im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben. Hiernach werden beispielsweise die Elektroden des Kopplers in zwei hinter ainanderliegejide Abschnitte mit gegensinnigen Phasenfehlanpassungen Δβ aufgeteilt Die Oberkreuz-Übertragung wird also erreicht bei Vorliegen entgegengesetzter, jedoch nicht notwendig gleicher Phasenfehlanpassungen in den beiden Abschnitten insoweit als die Spitzen-Teilkopplung am Ende des ersten Abschnittes nicht notwendig 50% beträgt und die tatsächlichen Längen der beiden Kopplungsabschnitte gleichfalls nicht notwendig gleich sind. In jedem Fall können die den beiden hintereinander liegenden Abschnitten zugeführte Spannungen ohne weiteres immer so eingestellt werden, daß eine praktisch vollständige Oberkreuz-Übertragung erfolgt was bei Anwendung in einem Nachrichtenübertragungssystem zu einem vernachlässigbaren Übersprechen führt

Ersichtlich führt diese neue Kopplungsart auch zu einem universelleren Modulator.

Ebenfalls bemerkenswert ist es, daß die für die Geradeaus-Übertragung benutzte Phasenfehlanpassung des Bauelementes gleichfalls leichter als bisher erreicht werden kann. Dieses erfolgt entweder durch Erhöhen der Differenz der für die Überkreuz-Überiragung benutzten Treibspannungen oder durch Umschalten der Polarität der dem einen Abschnitt des Kopplers zugeführten Spannung, so daß beide Abschnitte, zusammengenommen, annähernd den bekannten im Geradeausübertragungszustand befindlichen ^-geschalteten Richtungskoppler bilden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert; es zeigen:

F i g. 1 und 2 typische bekannte Anordnungen des 4/?-geschalteten Richtungskopplers,

F i g. 3 ein typisches Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Schaltspannung von der normierten Wechselwirkungslänge für den bekannten 40-geschalteten Richtungskoppler,

F i g. 4 und 5 je ein Blockschaltbild zur Darstellung der elementaren Schaltzustände des 43-geschalteten Richtungskoppler^ und zwar sowohl des bekannten als jo auch des erfindungsgemäßen Richtungskopplers,

Fig.6 und 7 zwei alternative Anordnungen in halbschematischer Darstellung von voll einstellbaren optischen Schaltern,

F i g. 8 ein modifiziertes Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsformen nach F ig. 6,7,9 und 10,

Fig.9 und 10 Abwandlungen der Ausführungsform nach F i g. 6 und 7,

F i g. 11 ein Blockschaltbild eines typischen Schaltsystems, das aus den erfindungsgemäßen Schaltern aufgebaut ist

Fig. 12 einen optischen Schalter mit mehr als zwei sequentiellen Abschnitten und

F i g. 13 ein modifiziertes Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform nach F i g. 12.

Für das Verständnis von Aufbau und Wirkungsweise des erfindungsgemifien Schalters bildet das Verständnis von Aufbau und Wirkungsweise des bekannten als Schalter betriebenen optischen Richtungskopplers etwa nach Art der Fig. 1 eine gute Hilfe. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung wird in Frankreich allgemein als COBRA bezeichnet Siehe beispielsweise den Papuchon Artikel a. a. O.

Das Bauelement 17 weist im Regelfall ein Lithiumniobatsubstrat 22 auf, auf welchem die optischen Streifenleiter 15 und 16 angeordnet sind. Die Streifenleiter haben Teile 18 und 19, die parallel verlaufen und sich je im austretenden Lichtfeld des jeweils anderen über eine Strecke L befinden, die ein ungeradzahliges Vielfaches der Kopplungslänge /ist Es gilt also

η = 1, 3, 5 ...

Die Kopplungslänge / ist die Strecke, über die das in einem der Streifenleiter 18, 19 laufende Licht vollständig auf den andern übertragen würde, wenn die beiden Leiter vollkommen phasenangepaßt sind. Dieser Übertragungstyp tritt reversibel und mit jeder folgenden Kopplungslänge oszillierend auf. Die Strecke L ist auch die Entfernung, über die die Treibelektroden 20,21 über den parallelen Streifenleitern 18 und 19 angeordnet sind. Typischerweise sind die Leiter 15, 16, 18 und 19 aus titandiffundiertem Lithiumniobat im Substrat 22 hergestellt, so daß die Streifenleiter einen höheren Brechungsindex als das Substrat 22 besitzen. Mit den Streifenleitern 15 und 16 sind zwei Quellen 11 und 12 und zwei Verbraucher 13 und 14 verbunden. Wird Lithiumniobat in der Vorrichtung 17 benutzt dann können die Quellen 11 und 12 praktisch jede kohärente Lichtquelle, beispielsweise ein Laser, sein, deren Ausgangslicht leicht in die Leiter 15 und 16 eingeführt werden kann. Die Quellen 11 und 12 würden in einem praktischen System auch Mittel zur Lichtstrahlenbündelrnodulation enthalten, so daß ein Kunde, eine Einrichtung oder eine andere Informationsquelle am Ort der Quelle 11 mit einem anderen Kunden, einer anderen Einrichtung oder Empfangsvorrichtung, die sich an einem anderen Ort befinden, in Kommunikation treten kann. Demgemäß würden die Apparaturen 13 und 14 im Regelfall Detektoren zum Feststellen von Modulationen des Lichtstrahlenbündels haben. Die Elektroden 20 und 21 sind mit entsprechenden Anschlüssen 24 und 25 einer Vermittlungs- oder Schaltsignalquelle 23 verbunden, die beispielsweise von der Netzwerksteuerungssignalisiervorrichtung eines Fernsprechsystems gesteuert werden könnte.

Beim Betrieb der bekannten Anordnung nach F i g. 1 befindet sich der Richtungskoppler 17 im Überkreuzzustand, wenn die Spannung V gleich Null ist Ist die Strecke L genau genug gewählt worden, dann wird der Teilnehmer bei der Quelle 11 mit einem Teilnehmer bei der Vorrichtung 14 sprechen, und ein Teilnehmer an der Quelle 12 mit einem Teilnehmer bei der Vorrichtung 13, ohne daß nennenswertes Übersprechen zwischen den beiden Übertragungswegen stattfindet Das heißt, praktisch die gesamte Lichtwelle jeder Quelle wird in den anderen Leiter eingekoppelt ohne daß ein Rest im ursprünglichen Leiter verbleibt

Es versteht sich, daß das System reziprok ist und daß die Vorrichtungen 13 und 14 auch Quellen zur Übertragung modulierter Lichtstrahlenbündel zu den Quellen 11 und 12 hin aufweisen können. Für jede dieser Übertragungen befindet sich der Schalter, d. h, der Richtungskoppler 17, im Überkreuzzustand.

Die vorstehende Beschreibung des Überkreuzzustan-.

des kann anhand des Blockschaltbildes nach F i g. 5 noch besser verstanden werden. Dort ist unter Außerachtlassen der optischen Aspekte die Vorrichtung vereinfacht dargestellt, und man sieht, daß der Überkreuzzustand der einen Schaltstellung eines zweipoligen Doppelumschalters (eines sogenannten Polwendeschalters) entspricht.

In ähnlicher Weise ist der Geradeauszustand — in Fig.4 wiederum vereinfacht durch Weglassen der optischen Aspekte dargestellt — als die andere Schaltstellung eines solchen Doppelumschalters erkennbar.

Der Geradeauszustand wird dann erhalten, wenn an die Elektroden 20 und 21 in F i g. 1 eine Treibspannung V angelegt wird. Wegen der elektrooptischen Eigenschaft der Materialien erzeugt die Spannung V eine Phasenfehlanpassung Δβ, die die Richtungskopplung zwischen den Leitern 18 und 19 ruiniert. Wenn die Spannung so gewählt ist, daß die Strecke L als geradzahliges Vielfaches der Kopplungslänge erscheint, dann ist die Gesamtkopplung der parallelen Leiter vollständig unterdrückt. Es wird also Licht, das durch den Mittelpunkt der Kopplungszone vollständig übertragen wird, wieder zurückübertragen, bevor es aus dem Einflußbereich des elektrischen Feldes austritt.

Es leuchtet ein, daß, selbst wenn der parallele Teil L nicht genau entsprechend der richtigen Anzahl ruhender Kopplungslängen hergestellt worden ist, es noch eine Spannung gibt, die L dazu bringt, als geradezahliges Kopplungslängenvielfaches zu erscheinen, und zwar unabhängig vom Übertragungsweg und dessen Richtung. Eine solche Spannung kann als die π-Spannung oder 2;r-Spannung bezeichnet werden, wie dieses in Fig. 3 durch die Kurven 31 und 32 dargestellt ist. In F i g. 3 ist das Verhältnis von L zu I auf der Ordinate

aufgetragen, und die Größe ÖL mit ö = j^ß, das eine Funktion der Spannung ist, auf der Abszisse in einer normierten Form. Die Kurven 31 und 32 in Fig. 3 stellen die Geradeauszustände des Schalters dar, die als eine Funktion der Spannung offensichtlich eir Hlbar sind.

Während eine phasenangepaßte Kopplung entweder durch eine unrichtige Länge der gekoppelten Leiter oder durch Phasenfehlanpassung oder Asynchronismus in zwei Leitern der für eine Kopplung richtigen Länge vernichtet werden kann, macht es die große Leichtigkeit einer Vernichtung der Kopplung schwieriger, die für den Überkreuzzustand erforderliche phasenangepaßte Kopplung zu erreichen. Mit anderen Worten, zwei Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt sein. Diese Bedingungen sind Synchronismus oder kontinuierliche Phasenanpassung und geeignete Wechselwirkungslänge. Sie sind unabhängige Bedingungen. Eine Diskrepanz in der einen Bedingung kann nicht durch Einführen einer Diskrepanz in die andere Bedingung beseitigt werden. Tatsächlich führen solche Versuche generell zu einer Verschlechterungstendenz des Betriebes der Vorrichtung.

Es ist bekannt, daß bei Verschlechterung des Betriebs der Vorrichtung jenes Licht, welches partiell vom einen auf den anderen Leiter gekoppelt wird, zu dem Ursprungsleiter zurückzukehren sucht Die Erfindung beruht deshalb auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, das Auftreten des »Ursprungsleiters«, wie er den miteinander in Wechselwirkung tretenden Wellen erscheint, umzuschalten, so daß bei teilweise vollständigem Kopplungsprozeß das licht veranlaßt werden kann, in jenen Leiter »zurückzukehren«, auf welchem eine Kopplung erwünscht ist. Tatsächlich wird diese Eigenschaft erreicht, ohne daß im ganzen Kopplungsprozeß ein Synchronismus je erhalten worden wäre, vorausgesetzt, daß eine wesentliche Teilkopplung erreicht werden kann, bevor die Umschaltung in der scheinbaren Identität der Wellenleiter bewerkstelligt wird. Dieser Effekt wird erreicht durch Umschalten des Sinnes der Phasenfehlanpassung in der Mitte durch die

κι Vorrichtung, wie dieses nachstehend noch näher erläutert wird.

Die vorstehende Analyse der Wirkungsweise der bekannten Vorrichtung kann in einer Weise umformuliert werden, aus der mathematisch gezeigt werden

π kann, warum der vorliegende Koppler mit mehreren sequentiellen Abschnitten arbeitet.

Die komplexen Amplituden R und S des Lichtes am Ausgang der beiden Leiter stehen in linearer Beziehung mit den entsprechenden Eingangsamplituden Ro und So, die in Matrixschreibweise wie folgt angegeben werden kann:

A* ) \ S₀

S J V -JB* A* · ' " ' ⁽²⁾

Die Koeffizienten sind gegeben durch

A = cos(i.V/c² + δ² 1/(5 sin (L V_κ ² + δ² )/V_K ² + δ²

B = asin (LVk² + ö² )/V_K ² + δ²
worin bedeuten

*5 δ = V₂ OS« -A) =

L = Wechselwirkungslänge ■.
κ = Kopplungskoeffizient.

4(ΐ Vom Kopplungskoeffizienten wird angenommen, daß er von ^unabhängig ist.

Entsprechend Gleichung (2) hat dann die Vorrichtung 17 im Idealfall zwei Schaltzustände, nämlich den Geradeauszustand mit | A | = 1 und B=O, so daß kein Licht vom einen Leiter auf den anderen geschaltet wird, und den Überkreuzzustand mit A=O und | B \ = 1, so daß sämtliches Licht umgeschaltet wird. Eine Untersuchung der Gleichungen (3) und (4) zeigt daß stets eine Spannung oder Aß vorhanden ist die den Schalter in den Geradeauszustand versetzt; um jedoch den Überkreuzzustand zu erreichen, wird Δβ=Ο und xL=jt/2 (2n+l) mit ganzzahügem /7=0, i, 2, ... benöiigt Mii änderen Worten, es wird sowohl Phasenanpassung als auch eine Wechselwirkungslänge L benötigt die für Null-Übersprechen genau gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der Kopplungslange l=n/2x sein muß, welche sich auf die Kopplungsstärke bezieht Wenn bei der Herstellung der Vorrichtung der richtige L//-Wert 1,3,5 ... nicht erreicht worden ist, ist es unmöglich, die Spannung für ein Schalten der Vorrichtung in den

Überkreuzzustand einzustellen, da beide Bedingungen nicht gleichzeitig erreicht werden können. Es tritt deshalb Übersprechen auf.

Dieselben Probleme existieren für die Horizontal-E-Feldversion des bekannten schaltbaren Richtungskopplers, wie dieses anhand der F i g. 2 nachstehend erörtert wird. Es sei bemerkt, daß in Fig. 1 die optische Achse, die C-Achse des lithhimniobates senkrecht zur

Oberfläche des Substrates orientiert ist und daß die effektiven Hauptkomponenten des elektrischen Feldes, des Ε-Feldes, parallel zu dieser Achse verlaufen.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 ist es möglich, die erforderlichen Treibspannungen zu reduzieren, da ein größerer elektrooptischer Koeffizient benutzt werden kann, wenn eine hinreichend kleine Elektrodenanordnung 40 zwischen den parallelen Teilen 38 und 39 des schaltbaren Richtungskopplers 37 hergestellt werden können. In diesem Fall verläuft die optische Achse, die C-Achse des Lithiumniobates, parallel zur Oberfläche des Substrates 32 und senkrecht zur Richtung der Leiterteile 38 und 39. Die Elektrodenstreifen 20' und 21' sind außerhalb der Leiterteile 38 und 39 angeordnet und haben dasselbe elektrische Potential von der Schaltsignaiqueüe 23' zugeführt. Andererseits ist der andere Po! der Quelle 23' beispielsweise über die Systemmasse mit der Mittelelektrode 40 verbunden.

Dieselben Betriebsprobleme existieren auch hier, da im Prinzip der einzige Unterschied gegenüber der Vorrichtung nach F i g. 1 der ist, daß sich die effektive Richtung des elektrischen Feldes von der vertikalen in die horizontale geändert hat. Deshalb gilt auch das Betriebsdiagramm von F i g. 3 für die Vorrichtung 37 nach F i g. 2.

Es sei nun auf die erfindungsgemäße Vorrichtung — vergleiche Fig.6 — eingegangen. Man sieht, daß im Vergleich zur Vorrichtung 17 nach Fig. 1 die Vorrichtung 47 ähnliche Quellen 41,42 und Verbraucher 43 und 44 sowie ein ähnliches Substrat 52 und Leiter 45 und 46 mit parallelen Abschnitten 48 und 49 aufweist, wobei die C-Achse parallel zur Oberfläche des Substrates 52 orientiert ist.

Der Unterschied beruht in der Unterteilung der Kopplungszone in zwei hintereinanderliegende (sequentielle) Abschnitte, von denen der erste die Elektroden 50 und 51 und der zweite die Elektroden 53 und 54 aufweist. Die Elektrodenpaare 50, 51 und 53, 54 werden durch unabhängige Schaltsignalquellen 55 bzw. 56 betrieben, die Spannungen Vi und V₂ an die Elektrodenpaare 50, 51 bzw. 53,54 derart abgeben, daß die Vorzeichen der Spannungen in zwei sequentiellen Abschnitten zueinander entgegengesetzt sind.

In diesem Fall geben, selbst wenn die Strecke L nicht ein ungeradzahliges Vielfaches der Kopplungslänge /ist, die beiden sequentiellen Elektrodenabschnitte der Bedienungsperson eine zusätzliche Handhabe zur Erfüllung der Simultanbedingungen, die für den Überkreuzzustand des Schalters erfüllt sein müssen.

Tatsächlich erlaubt diese zusätzliche Variable das Erreichen des Überkreuzzustandes mit asynchroner Kopplung an allen Stellen, da es allgemein bekannt ist, daß asynchrone Kopplung zu einem wesentlichen partiellen Energieübergang führen kann. An der Stelle des partiellen Überganges endigt der erste Abschnitt; und der zweite Abschnitt arbeitet so, als ob er eine

κι asynchrone Kopplung des komplementären Anteils der optischen Welle zu erreichen hätte, wenn letztere am rechten Ende begonnen hätte und zur Mitte hin fortgeschritten wäre. Da die Wellen tatsächlich von links nach rechts laufen, wird nichtsdestoweniger der partiell gekoppelte Zustand der miteinander in Wechselwirkung befindlichen Wellen »ungeschehen« gemacht durch Rückkehr des bisher ungekoppelten Teils der Welle auf den anderen Wellenleiter, wie wenn es sich um die vorher gekoppelte Energie handelte, die auf ihren ursprünglichen Leiter durch Phasenfehlanpassung zurückkehrt.

Die Wirkungsweise des Schalters nach Fig.6 kann nun anhand der Kurven 71 und 72 in Fig. 8 erläutert werden. Hieraus sieht man, daß es nunmehr eine kontinuierliche Kurve für den Überkreuzzustand des Schalters gibt, was durch die Kurve 71 dargestellt ist. Nimmt man beispielsweise an, daß die Strecke L etwas größer als eine Kopplungslänge hergestellt worden ist, dann wird der Überkreuzzustand des Schalters bei einer Spannung erreicht, die etwas kleiner ist als die Spannung für den normierten λ-Wert von OL(V).

Mathematisch wird jeder der einzelnen Abschnitte in F i g. 6 durch eine Transformationsmatrix der Form der Gleichung (2) mit Koeffizienten beschrieben, die durch

is folgende Beziehung miteinander verknüpft sind:

A{- Aß) = A*(Aß), B(-Aß) = BÜß) (5)

Die gesamte Transformationsmatrix wird erhalten Matrixmultiplikation. Sie ist wiederum von der Form von Gleichung (1) mit den Koeffizienten

A = 1 -2 sin² f-j- V'κ² + δ² V(I + δ²/κ²)

(6A)

B =

Vk² + δ²

sin (Z. ι

(6B)

Durch diese Gleichungen erhält man die für den Erhalt des Geradeaus- und Überkxeuzzustandes notwendigen Bedingungen, und die Ergebnisse sind durch die Kurven 71 und 72 in F i g. 8 wiedergegeben. Auf der Ordinate erhält man dieselben Punkte wie bei der bekannten Anordnung mit gleichförmigem Δβ, jedoch für jede zugeführte Spannung ist die Situation gegenüber der beim bekannten unterschiedlich. Die Kurve 72 ist dieselbe wie die Kurve 32 in F i g. 3; jedoch fehlt der Geradeauszustand-Kreis durch Ul= 2, OL=Jr. Dieses ist der zu bezahlende Preis für den Erhalt einer kontinuierlichen Kurve für den Überkreuzzustand.

Der niedrigerwertige Geradeauszustand nach dem Stand der Technik ist jedoch nicht verlorengegangen, da die gegebenen Kurven 71 und 72 nur für die gegenseitigen Vorzeichen der Spannungen zutreffen, wie diese beispielsweise in F i g. 6 angegeben sind. Die Anordnung nach F i g. 1 kann einfach durch Umkehr der gegenseitigen Vorzeichen der Spannungen Vi und Vz der Quellen 55 und 56 erhalten werden, so daß Kurve 31 von Fig.3 für den Geradeauszustand des Schalters erhalten wird.

Eine ähnliche Einstellung des Geradeauszusiandes

des Schalters für Null-Übersprechen kann nach derselben Methode auch dann erreicht werden, wenn die optische Achse des elektrooptischen Materials parallel zur Substratoberfläche verläuft Mit anderen Worten, der schaltbare Richtungskoppler 67 in Fig.7 ist eine Modifikation des bekannten schaltbaren Richtungskopplers 37 der F i g. 2, wobei zwei sequentielle Kopplungsabschnitte vorgesehen sind, die innerhalb der parallelen Abschnitte 68 und 69 der optischen

Streifenleiter definiert sind. Die Abschnitt sind durch die sequentiell geteilten Elektroden 80, 81, 83 und 84 definiert. Zur Erleichterung der Verbindung der Schaltsignalquellen 55' und 56' ist die Mittelelektrode 90 nicht unterteilt. Das heißt, beide könnten mit demselben Kontaktanschluß verbunden sein (nicht dargestellt). Nichtsdestoweniger können etwas niedrigere E-FeIdgradienten zwischen den Enden der Elektroden 80 und 83 und den Enden der Elektroden 81 und 84 erreicht werden, wenn die relativ dünne Mittelelektrode 90 wirksam und zuverlässig unterteilt werden kann.

Für die angegebenen Polaritäten der Spannungen Vi und V₂ in F i g. 7 trifft das Schaltdiagramm der F i g. 8 noch zu. Eine Änderung des Vorzeichens einer der Spannungen erlaubt wie vorhin, die Kurve 31. in F i g. 3 für den Geradeauszustand des Schalters gerade so umzukehren, wie dieses bei der Ausführungsform nach F i g. 6 der Fall ist. Ansonsten muß man zu dem Spannungswert für die Ul= 4- Kurve 72 hinausgehen, um den Geradeauszustand des Schalters zu erhalten.

Die vorstehende Beschreibung verschiedener elektrooptischer Ausführungsformen der Erfindung sollte nicht dahingehend mißverstanden werden, daß die Erfindung auf elektrooptische Steuerung beschränkt wäre. Wenn man beispielsweise Aluminiumgalliumarsenid-Wellenleiter in wellenleitenden Halbleiterlaseranordnungen verwendet, dann kann das zugeführte elektrische Feld, das den Injektionslaserprozeß steuert, auch die effektive Wellenleiterdimension und damit Δβ ändern. Eine derartige Steuerung ist nicht von elektrooptischer Natur. Mit anderen Worten, die Erfindung ist für jeden Typ ^^-geschalteter Richtungskoppler anwendbar. Bei der Durchführung der Erfindung können dieselben Prinzipien mehrfacher sequentieller Abschnitte, partieller Kopplung und Umkehrung der Phasenfehlanpassungszustände im aufeinanderfolgenden Abschnitt unabhängig davon benutzt werden, wie die Phasenfehlanpassung Δβ geändert wird.

Die Ausführungsform nach F i g. 7 kann zur Verbesserung ihrer Herstellbarkeit in den beiden in F i g. 9 und 10 dargestellten Arten modifiziert werden. Beispielsweise kann in F i g. 9 bei ansonsten gleich wie in F i g. 7 bezeichneten Komponenten die Elektrode 101 aufgefaßt werden als ein Kurzschluß der Elektroden 81 und 90 in F i g. 7, und in ähnlicher Weise die Elektrode 104 als ein Kurzschluß der Elektroden 84 und 90 in F i g. 7, so daß das meiste der Schalt- und Einstellfeidtr dem Abschnitt 98 der Streifenleiter zugeführt werden muß; und nur relativ wenig hiervon wird am Abschnitt 99 der Streifenleiter erhalten. Im Ergebnis wird die erforderliche Spannung größer als bei der Ausführungsform nach F i g, 7 sein; das Erfordernis zur Erzeugung einer sehr feinen Mittelelekrrode 90 entfällt aber. Unter Berücksichtigung dieser Qualifikation ist das normierte Diagramm nach Fig.8 noch anwendbar, und die normierte Kurve 31 in Fig.3 ist gleichfalls für den Geradeauszustand des Schalters für den Fall brauchbar, daß eine der Spannungen V\ oder V₂ im Vorzeichen umgekehrt wird.

Gleichermaßen ist der schaltbare Richtungskoppler 117 der Fig. 10 dem schaltbaren Richtungskoppler 107 der Fig.9 ähnlich, außer, daß die nicht elektrischen Feldern unterworfenen Streifenleiterteile einfach zwischen den beiden sequentiellen Abschnitten des Schalters in einer Weise aufgeteilt sind, die sie beide nicht auf einem Streifenleiter lokalisiert Die Elektrode 114 ist der Elektrode 104 äquivalent; und die Elektrode 111 ist der Elektrode 101 in Fig.9 äquivalent, da sie über dem anderen Streifenleiter 108 im ersten Abschnitt des schaltbaren Richtungskoppler angeordnet ist. Die Vorzeichen der Spannungen Vi und V₂ verbleiben wie in F i g. 9 dargestellt. Alle anderen Komponenten in

■5 F i g. 10 bleiben dieselben wie in F i g. 7.

Kurz gesagt ist das Betriebsverhalten der Schaltvorrichtungen entsprechend den Ausführungen nach Fig.6, 7, 9 und 10 hinreichend gegenüber dem bekannter Vorrichtungen hinsichtlich verringerten Übersprechens im Überkreuzustand der Schalter verbessert und tatsächlich auch hinsichtlich der Einstellbarkeit beider Schaltzustände, so daß es ermöglicht ist, sie in einer komplizierten elektrooptischen Schalt- oder Vermittlungsmatrix zu verwenden, wie diese beispielsweise in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem verwendet würde. Eine solche Vermittlungsanordnung ist in F i g. 11 dargestellt. Die Vermittlungsanordnung nach F i g. 11 baut sich grundsätzlich auf der Anordnung auf, wie diese in der US-PS 35 93 295 beschrieben ist und später in optischer Form von H. F. Taylor, Electronics Letters (GB), Band 10, Seite 41 (Februar 1974) vorgeschlagen wurde. Der Hauptunterschied vom optischen System nach Taylor ist die Verwendung der vorliegenden schaltbaren Zwei-Segment-Richtungskoppler. deren beide Schaltzustände einstellbar sind. Das heißt, jeder Schalter 120 bis 129 ist ein solcher Schalter. Beim Verbinden der ersten Anschlüsse der Stelle 1 bis n, die mit 131, 132, 133 usw. bezeichnet sind, beispielsweise mit den zweiten

jo Anschlüssen der selben Stellen, die mit 137,138 und 139 bezeichnet sind (vgl. Fig. 11), wird ein solches Vermittlungssystem nicht nur die verbesserten Übersprecheigenschaften haben, sondern wird auch ein nichtblockierendes Übertragungssystem für sämtliche Teilnehmer oder Einrichtungen des Systems sein.

F i g. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel dafür, daß mehr als zwei sequentielle Abschnitte im phasenangepaßten Kopplungsteil eines schaltbaren Richtungskopplers vorgesehen sein können. Der dargestellte Richtungskoppler 147 weist wiederum Modulationssignalquellen 141,142 und geeingete Detektoren als Verbraucher 143 und 144 auf. Wie vorhin kann das System reziprok sein. Elektroden 150,151,153,154,157 und 158 befinden sich über den parallelen Teilen 148 und 149 der Streifenleiter 145 und 146, die auf dem Substrat 152 angeordnet sind. Das Substrat ist aus Lithiumniobat mit geeignetem Brechungsindex, wobei die optische Achse zur Hauptfläche senkrecht steht Jedes Elektrodenpaar, das eines der sequentiellen Segmente definiert ist mit einer

so getrennten Schaltsignalquelle, beispielsweise den Quellen 155, 156 bzw. 161 bei der dargestellten Anordnung nach Fig. 12 verbunden. Die Elektroden 150, 151, 153, 154, 157 und 158 sind paarweise mit den Schaltsignalquellen 155, 161 bzw. 156 unter aufeinanderfolgend entgegengesetztem Vorzeichen verbunden.

Bei der dargestellten Anordnung erhalten beim Betrieb die ersten beiden Elektrodenpaare für die ersten beiden Segmente des schaltbaren Richtungskopplers entgegengesetzt gepolte Treibspannungen Vi und V3 zugeführt, wie für eine erste Näherung zur Steuerung des Uberkreuzzustandes des Schalters bestimmt werden kann. Die Spannung V₂ kann dann für eine Feinsteuerung der Gesamtwirkung eingestellt werden. Das Steuerungsdiagramm für die Ausführungsform nach Fig. 12 ist in Fig. 13 dargestellt Wenn man beispielsweise eine Länge der parallelen Teile 148 und 149 wählt, die etwas größer als drei Kopplungslängen ist, dann kann man geeignete Punkte auf den Kurven

162 und 163 finden, um die Überkreuz- und Geradeauszustände des Schalters genau bereitzustellen. Auf der Abszisse sind Vielfache von π für den normierten Spannungsparameter aufgetragen. Dieser normierte Parameter stellt die resultierende relative Phasenverschiebung Δβ für die drei Abschnitte dar. Man sieht, daß keine relative Umschaltung der Polaritäten erforderlich ist, um die erforderlichen Treibspannungen für dieses Ausführungsbeispiel zu haben. Mit anderen Worten, die Kurve 162 erfordert in der Praxis keine nennenswert höhere Treibspannung als es die Kurve 31 in F i g. 2 für den Fall nicht in Segmente unterteilter Elektroden erfordert.

Es gibt tatsächlich viele andere Vorteile für die Verwendung der in mehrere Segmente unterteilten Ausführungsform nach Fig. 12. Es leuchtet ein, daß die Verwendung dreier Segmente noch eine zusätzliche Handhabe für die Systemsteuerung liefert und es dadurch ermöglicht, zusätzlich zu den angegebenen Zielen noch weitere Ziele zu verwirklichen.

Es sollte sich verstehen, daß die Erfindung die sequentielle Steuerung von Asynchronismus in optischen Wellenleitern mit mehreren Abschnitten ausnützt

τ und daß der Asynchronismus auch durch andere als elektrooptische Mittel und auch durch andere als elektrische Felder induziert werden kann. Beispielsweise kann die 4j3-Fehlanpassung induziert werden durch mechanische Belastung der Wellenleiter, was die

ίο optische Fortplanzungseigenschaften beeinflußt, ferner durch magnetooptische Änderung des zljS-Phänomens, durch akustooptische Änderung von Δβ und bei Halbleitern durch Ändern eines Wellenleiterparameters über die Injektionsspannung oder den Injektionsstrom.

Weiterhin können die Wellenleiter von jeglichem optischen Wellenleitertypus sein, gleichgültig ob es sich um den niedergeschlagenen Planartyp oder den diffundierten Typus oder dergleichen handelt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Schalter mit

— einem Paar optischer Wellenleiter (45, 46), die auf einem Teil (48, 49) ihrer Länge parallel zueinander verlaufen und ausreichend dicht beieinander liegen, um Richtungskopplung hierzwischen zu ermöglichen, und

— Steuerorgan (50, 51, 53, 54), die bei den parallelen Wellenleiterteilen (48, 49) angeordnet sind und die Phasenfehlanpassung längs derselben steuern,